月球背面的南極-艾特肯盆地直徑約為2500公里，是月球最古老、最大的撞擊“疤痕”，記錄了月球幼年時(shí)期遭受的巨大“創(chuàng)傷”。這個(gè)“疤痕”究竟有多古老？這是國際深空探測領(lǐng)域長期以來的首要科學(xué)目標(biāo)之一，也是月球科學(xué)研究的最大懸案之一。
如今，基于嫦娥六號月壤樣品研究，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡稱地質(zhì)地球所）研究員陳意團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)古老的盆地形成于42.5億年前。相關(guān)研究近日發(fā)表于《國家科學(xué)評論》。
為月球最古老“疤痕”定年，意味著人類在了解太陽系早期大型撞擊歷史方面有了更精確的“宇宙時(shí)鐘”標(biāo)尺，對理解月球乃至太陽系早期演化具有重大科學(xué)意義。
嫦娥六號月壤樣品里的蘇長巖記錄了42.5億年前月球南極-艾特肯大型撞擊事件。蘇斌/繪
一個(gè)懸疑 兩種推論
為什么要了解艾特肯盆地的撞擊形成時(shí)間？論文通訊作者陳意表示，這不僅關(guān)乎月球演化歷史的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，也是了解太陽系撞擊史的黃金參照。
“撞擊作用是天體形成與演化過程中最重要的外部動力過程，內(nèi)太陽系的天體經(jīng)歷了相似的撞擊歷史。”陳意解釋說，“太陽系內(nèi)一個(gè)天體的撞擊記錄是整個(gè)太陽系撞擊歷史的縮影?！?/p>
月球表面遍布大大小小的隕石撞擊坑，是了解太陽系天體撞擊歷史的“最佳靶點(diǎn)”——它距離地球最近，人類能夠獲取撞擊坑樣品，且月球上沒有板塊構(gòu)造運(yùn)動，古老的撞擊痕跡保存較為完好。作為月球撞擊坑中的“老大哥”，艾特肯盆地可謂是記錄月球撞擊歷史的起始錨點(diǎn)，也是太陽系留給人類珍貴的“宇宙時(shí)鐘”，有助于為火星、水星等行星撞擊坑建立統(tǒng)一年齡標(biāo)尺。
為此，相關(guān)研究在國際深空探測領(lǐng)域長期占據(jù)重要地位。然而，長期以來，人類并未獲得來自艾特肯盆地“第一現(xiàn)場”的樣品實(shí)證。
此前，科學(xué)家只能利用兩種主要方法推測。其一通過撞擊隕石坑統(tǒng)計(jì)法，獲得的年齡范圍為42.6億年到大于43.3億年。其二通過研究地球上的月球隕石樣品、采集自月球正面的阿波羅樣品，發(fā)現(xiàn)月球在43.5億年至43.3億年前曾發(fā)生過一次全月熱事件，推測可能為艾特肯大型撞擊事件。
這些推測是否準(zhǔn)確？嫦娥六號樣品為回答這一問題提供了契機(jī)。
一次“嚴(yán)絲合縫”的新推理
早在2023年，地質(zhì)地球所就提前成立了嫦娥六號月壤樣品研究“突擊隊(duì)”，組織十余個(gè)團(tuán)隊(duì)圍繞月背火山活動、磁場、揮發(fā)分、撞擊時(shí)間等一系列重大問題展開預(yù)研究。
“月球上撞擊坑很多，‘老坑套新坑’，光是艾特肯撞擊坑內(nèi)就有數(shù)十萬個(gè)小撞擊坑。拿到樣品前，我們最關(guān)注的問題是哪種物質(zhì)能用于艾特肯盆地定年?！标愐庹f。通過查閱大量文獻(xiàn)調(diào)研，尤其是遙感光譜數(shù)據(jù)分析，他們認(rèn)為蘇長巖可能蘊(yùn)含著艾特肯盆地的撞擊密碼。
前期工作讓搜索范圍大幅縮小。2024年8月24日，陳意團(tuán)隊(duì)在接到樣品后第一時(shí)間就投入緊張而有條不紊的研究中。僅用兩周時(shí)間，他們就得出了初步結(jié)論。
“嫦娥六號著陸器降落的位置十分特殊，就在艾特肯撞擊坑內(nèi)部的另一個(gè)‘疤痕’——更年輕的阿波羅撞擊坑南部邊緣。這一區(qū)域經(jīng)歷了多次撞擊和28億年的玄武巖噴發(fā)覆蓋?！标愐庖贿呏钢虑騼x一邊解釋說，這意味著嫦娥六號采集的月壤樣品極可能蘊(yùn)含著不同時(shí)期的物質(zhì)碎片。
如何在這些碎片中精準(zhǔn)找到獨(dú)屬于艾特肯撞擊坑的碎片遺跡，并推理出精確的撞擊年代？這并非一道簡單的推理題。陳意團(tuán)隊(duì)在研究中反復(fù)驗(yàn)證推理邏輯的嚴(yán)謹(jǐn)性，并多次和國際同行“過招兒”。
嫦娥六號樣品中大部分是表土角礫巖和玄武巖。研究團(tuán)隊(duì)首先像篩面粉一樣，用一個(gè)小篩子在5克月壤樣品中篩選出大于200微米的巖屑，然后在體式顯微鏡下，通過人工精挑細(xì)選挑出600余顆巖屑，最后利用掃描電鏡開展大量的巖相學(xué)觀察與分析，終于找到了12顆具有代表性的蘇長質(zhì)巖屑顆粒。
接下來的關(guān)鍵問題是它們來自哪個(gè)時(shí)期。年代學(xué)研究給出的線索是，9顆來自38.7億年前、3顆來自42.5億年前。
“那么，更年輕的蘇長巖可能屬于阿波羅撞擊坑，更古老的則屬于艾特肯盆地？”記者問。
陳意笑答：“這個(gè)直覺很準(zhǔn)?？茖W(xué)有時(shí)需要直覺，但并不能把直覺當(dāng)證據(jù)?！?/p>
要完善證據(jù)鏈，還需探究多個(gè)關(guān)鍵問題：這些蘇長質(zhì)巖屑的物質(zhì)成分是什么？它們是否來自月背著陸區(qū)附近，是否由撞擊形成的？
事實(shí)上，美國科學(xué)家在月球正面采集的阿波羅樣品中也含有蘇長巖。但這種蘇長巖是月球內(nèi)部熔融的產(chǎn)物，與撞擊這種外動力過程沒有關(guān)系。
“我們的巖石學(xué)、地球化學(xué)研究表明，盡管嫦娥六號蘇長質(zhì)巖屑在全巖成分和礦物組成上與阿波羅樣品中的蘇長巖一致，但在礦物的主、微量元素成分上有明顯區(qū)別?！闭撐牡谝蛔髡摺⒌刭|(zhì)地球所副研究員蘇斌說。
那又如何證明它們是由撞擊形成的？陳意解釋說，當(dāng)一個(gè)外部天體或隕石撞擊月球砸出撞擊坑時(shí)，強(qiáng)烈的動能會轉(zhuǎn)換成熱能引起撞擊體快速氣化，并且使得月球巖石發(fā)生高溫熔融。在此過程中，鉀、鈉、磷等易揮發(fā)的元素會“跑掉”，而撞擊體內(nèi)部殘留的難熔性物質(zhì)如金屬顆粒，會“加入”月球自身的熔融物質(zhì)，從而有可能在熔融結(jié)晶形成的新生巖石中留下痕跡。
研究團(tuán)隊(duì)對嫦娥六號蘇長質(zhì)巖屑開展的分析佐證了上述特點(diǎn)。極低的揮發(fā)性元素含量、較高的鎳/鈷元素比值和熔融殘留礦物，這些特征均指示其為撞擊熔巖。這是一類與阿波羅樣品蘇長巖完全不同的新型月球蘇長巖，他們將其命名為南極-艾特肯蘇長巖（SPANs）。
推理到此，證據(jù)鏈似乎已經(jīng)“嚴(yán)絲合縫”，但國際評審人提出了更多問題：樣本量是否足夠？能否通過更大范圍的區(qū)域地質(zhì)背景調(diào)查證明蘇長巖源區(qū)的可靠性？
為此，陳意帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一方面增加了1000顆巖屑分析（總計(jì)1600顆巖屑），從中又挑選出8顆蘇長質(zhì)巖屑（總計(jì)20顆）進(jìn)行系統(tǒng)研究，最終發(fā)現(xiàn)總共有5顆蘇長質(zhì)巖屑記錄了42.5億年前的大型撞擊事件。另一方面，他們基于447GB的遙感數(shù)據(jù)，開展了艾特肯盆地內(nèi)部及周邊地區(qū)大范圍巖性填圖和溯源，發(fā)現(xiàn)嫦娥六號采回的42.5億年前的蘇長巖與著陸區(qū)南部艾特肯盆地內(nèi)環(huán)成分異常區(qū)的蘇長巖極為相似。
據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)最終判定，月球艾特肯盆地形成于42.5億年前，嫦娥六號著陸區(qū)的阿波羅盆地則形成于38.7億年前。
享受“苦中作樂”的過程
“研究者提出了令人信服的證據(jù)，將這兩個(gè)看起來足夠精確的年代與兩個(gè)撞擊盆地聯(lián)系起來。”丹麥哥本哈根大學(xué)太陽與行星研究中心教授James Connelly說。
中國科學(xué)院院士徐義剛在同行評審中寫道：“這項(xiàng)研究強(qiáng)有力地證明了艾特肯盆地的年齡為42.5億年，鑒于這個(gè)時(shí)代在月球科學(xué)中的極端重要性，建議將其發(fā)表在《國家科學(xué)評論》上?！?/p>
42.5億年，這個(gè)數(shù)字究竟意味著什么？
陳意表示，這意味著在太陽系形成后約3.2億年，一次大型撞擊事件形成了艾特肯盆地，為月球撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年法提供了來自月背的初始錨點(diǎn)。同時(shí)，基于月球正面樣品校正的撞擊曲線，計(jì)算艾特肯盆地模式年齡與同位素定年結(jié)果基本一致，表明月球早期正面和背面的撞擊通量大致相當(dāng)。
此外，這項(xiàng)研究還表明，此前來自月球隕石樣品和月球正面樣品的推論并不成立——43.5億年至43.3億年前的全月熱事件與艾特肯大型撞擊并無關(guān)系，為重塑月球早期一級演化序列提供了參考基點(diǎn)和科學(xué)依據(jù)。
成果背后，研究團(tuán)隊(duì)歇人不歇儀器，每個(gè)人都做好自己的工作，使整個(gè)流程不卡頓。這讓他們在兩周內(nèi)一氣呵成完成了樣品篩選、數(shù)據(jù)分析、論文撰寫。
“雖然嫦娥六號樣品分析時(shí)間緊、任務(wù)重，但我比較享受師生近距離交流的合作過程。”開展巖相學(xué)分析的博士生王則靈說。
博士生陳浩杰則表示，在顯微鏡下觀測1600顆巖屑比較枯燥，但師生之間“打賭猜石”會讓這個(gè)過程變得有趣?！啊€注’往往是請一杯熱飲?！标惡平苄χf，他很享受這個(gè)“苦中作樂”的過程。
“拿到嫦娥六號這個(gè)史無前例的月背樣品，我們都很興奮，求知欲非常強(qiáng)烈，希望盡快找到答案。能在艾特肯盆地年齡這個(gè)重要問題上給出中國人的答案，讓我們特別興奮?！标愐庹f?，F(xiàn)在，他們正以同樣的熱情投入下一步的月球樣品研究。
文 ｜ 《中國科學(xué)報(bào)》記者 馮麗妃
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf103
來源：中國科學(xué)報(bào)
編輯：亦山
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